曾晨昶-08060311224-基于单片机汽车倒车超声波报警器的设计 - 图文

江西理工大学应用科学学院毕业设计

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毕业论文

基于单片机汽车倒车超声波报警器的设计与实现 信息系

电子信息工程112班 08060311224 曾晨昶 赵秀鸟 2015 年 月

曾晨昶：基于单片机汽车倒车超声波报警器的设计与实现

基于单片机汽车倒车超声波报警器的设计与实现

摘要

该论文具体阐述基于单片机汽车倒车超声波报警器地制作。伴着科技得日新月异地更迭，超声波再其中有着不可忽视地影响。本文就是利用了超声波的优势，利用超声波测量距离，结合声音让汽车驾驶员在倒车时去除视野盲区的烦恼，为驾驶员在倒车时提升安全性。

本课题利用得是AT89C51单片机与超声波测距模块制作铺筑于一体，制作出某样基于AT89C51单片机的汽车倒车防撞报警系统。这个系统用了软件与硬件结合地办法，有着多用化与模块化地特点。这个设计用的是超声波测距的原理，当障碍物与汽车的距离小于所设定的安全距离时，系统就会发出声光报警，而且伴随着距离的不断接近，报警频率会不断提高。超声波测距仪器依据3部分构建地，分别是发射器、接收器与信号处理器。在启动时候，超声波发射器发射出了超声波脉冲，超声波接收器接收了碰到目标物体返回来地反射波，进而精准地计量了超声波发射开始碰到目标物体反射回来地时间，则依据超声波地传播速度，就计算出了汽车离目标物体能有多近。

这个设计的电路设计简单合理，实时性能优秀，测量结果快速并且精准。 关键词： 单片机; 超声波; AT89C51; 距离

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Design based on single chip microcomputer reverse

ultrasonic alarm

Abstract

The paper specifically addressed microcontroller based ultrasonic reversing car alarm was

produced. Science and technology have to be accompanied by the rapid change, which again would have a negligible ultrasonic influence. This article is the use of the advantages of

ultrasound, the use of ultrasonic distance measurement, combined with sound allow motorists to remove the blind spot of trouble in reverse, to enhance the safety of the driver when reversing. This topic is synthesized using AT89C51 microcontroller and ultrasonic ranging module production paving in one, create a kind of based on AT89C51 car reversing collision avoidance warning system. This system uses a combination of software and hardware approach, with more use of them and modularly features. This design is used in ultrasonic distance measurement principle, when the distance between the obstacle and the car is less than the safety distance set, the system will send out sound and light alarm, and with the continuous close distance, the alarm frequency will continue to increase. Ultrasonic range finder in accordance with Part 3 Construction land, namely the transmitter, receiver and signal processor. Start time, the

ultrasonic transmitter transmits an ultrasonic pulse ultrasonic receiver receives a return to hit a target object reflected wave, and then accurately measure the ultrasonic transmitter started

encountering the target object is reflected back to the time, the basis spread ultrasonically speed, they calculated the car away from the target object can have near.

The circuit design is simple and reasonable design, excellent real-time performance, fast and accurate measurements.

key words ： SCM； Ultrasonic wave； AT89C51； Distance

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目 录

1.绪论 ........................................................................................................................ 1

1.1课题设计的意义 ........................................................................................... 1 1.2课题研究的现状与发展 ............................................................................... 1 2.系统方案论证 ........................................................................................................ 3

2.1设计功能要求 ............................................................................................... 3 2.2方案比较 ....................................................................................................... 3 3.超声波基本原理 .................................................................................................... 4

3.1超声波的发展简史 ....................................................................................... 4 3.2超声波的应用 ............................................................................................... 4 3.3超声波测距方法 ........................................................................................... 5 4.系统器件选择 ........................................................................................................ 8

4.1整体系统设计框图 ....................................................................................... 8 4.2硬件的选择 ................................................................................................... 8 4.3单片机选择 ................................................................................................. 10 4.4其他元件选择 ............................................................................................. 10 5.硬件设计 .............................................................................................................. 11

5.1单片机外围电路的设计 ............................................................................. 11 5.2超声波发射电路设计 ................................................................................. 11 5.3超声波接收电路设计 ................................................................................. 12

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5.4显示电路设计 ............................................................................................. 13 6. 软件设计 ............................................................................................................ 15

6.1程序的流程设计 ......................................................................................... 15 6.2显示模块的程序设计 ................................................................................. 19 6.3计算模块程序设计 ..................................................................................... 19 6.4报警模块程序设计 ..................................................................................... 20 7.总结和体会 .......................................................................................................... 22 参考文献 ................................................................................................................. 23 附录 ......................................................................................................................... 24

程序代码 ........................................................................................................... 24 文件清单 ........................................................................................................... 29 系统整体图 ....................................................................................................... 31

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1.绪论

在咱们这个日新月异的社会，伴随着科技的不断发展与进步，人民的生活水平与生活质量也不断提高，大部分人也都进入小康生活，家家一部车也不是梦了！这也导致了汽车数量的急剧增长，对于交通方面来说，也越来越日益发达了。不过，在这好的一方面下，负面影响也逐渐的显露出来了。在这越来越堵的街道马路上，堵得不是车，堵得是我们的心！最让我们揪心的是，经常找不到停车位，停车也越来越麻烦了！而其中，安全倒车这个问题让我们不得不慎重。根据专业的调查人员发布的数据，发生交通事故的时候，其中司机在倒车的时候因为视野盲区而发生事故的占了15%。这不得不说是一个很大的比率。但是这也是一个可以解决的问题。于是，研究出了这么某样倒车超声波报警器。不仅方便了人们倒车，而且避免了不必要的安全麻烦！

本课题介绍地是基于单片机汽车倒车超声波报警器测距系统。其中地原理与汽车上安装地倒车雷达一致。但是这个设计更便宜，电路设计也简单的多，稳定性高，能满足日常的需求.此设计采用超声波测距原理，其中单片机根据了超声波传感器传回来地数值而测出汽车和障碍物离着多远，当汽车和障碍物离地距离比设定好地安全距离小地时候，系统可以想起报警声提示司机，并伴着与障碍物之间距离地不断接近，响起地报警信息叫的次数会更急促。这样，就能够提升司机们倒车的可靠性能。

1.1课题设计的意义

随着人们对安全问题的普及，人们对安全驾驶的意识非常强烈，于是人们希望能有一种能帮助人们安全驾车的东西产生。而这种性能好的、价格不是很贵的、能帮助司机准确倒车的和保护司机安全的汽车倒车超声波报警器系统正是很多司机朋友所期望的。这则可以说我们对汽车倒车超声波报警系统研发地意义。我相信，在我们这个越来越发达的科技时代，汽车倒车超声波报警器也会越来越先进，功能也会越来越多，给我们的生活带来很大的便利，为我们的安全提供更多的保障！

1.2课题研究的现状与发展

在我们国家，汽车倒车超声波报警器系统的研发起步比较晚。最初只会宝马、奥

迪、奔驰价钱贵的车里能够有。经过这么多年的发展，由于研发成本的减少，才逐渐的成为现在好多汽车上的标配。这期间，不知不觉中，汽车倒车超声波报警器系统已经有过了六次的改良。从性能，价格和外观方面来说，每一代都有自己的特性。

第一代：倒车的时候通过喇叭提醒。司机在倒车时，有机警的声音提示，让周围的人小心。这只是间接的提醒了周围的路人而已，并没有对司机安全倒车起到多大的作用。因此这种系列差不多归类为过时代的东西。

第二代：蜂鸣器会响起不相同地警戒响声提示开车人。司机倒车的时候，车与障碍物在一定的距离内，蜂鸣器就会发出“嘀嘀”的响声，当“嘀嘀”越来越急时，说明车与障碍物距离很近了。可以说这就是汽车倒车超声波报警器系统的真正开始，但是因为没有距离显示，所以对司机的作用不是很大。

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第三代：能显示距离的。比前两代进步了不止一点，能够把车与障碍物的距离显示出来。这其中两种方法展现车与目标物体离着有多近：一种是用红黄绿3种颜色来反映：红色反映地是车和目标物体在危险结界;黄色反映地是车和目标物体在警告结界内；绿色反映车与障碍物在安全距离内。而另外一种是数字显示方式，使用LED显示出车和目标物体有多近。但是这一代产品难看，测量数据不怎么精准。

第四代：在液晶荧屏上动态显示距离。这代产品能够清晰地展示出车和目标物体地图像与有多近。而且发动汽车就能显示汽车周围的情况，图像清晰，外表漂亮，安装方便。不过产品地灵敏度不高，抗干扰效果弱，老是误报。

第五代：魔幻镜。把前几代产品的优点集合在一起，能够精确的探测到车两米以内的障碍物，以清晰的图像和不同的声音提醒司机。虽然这代样式地价钱高，但是效果很多。 第六代：影音系统。在第五代系统所有功能上增加了影音系统，能够在显示屏上看电影，并且比之前的外观都好看。她只是为了价钱贵的高档车而生产的，由此可见它的成本是多高！

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2.系统方案论证

2.1设计功能要求

选择对本课题有用的单片机类型，设计好并制作出能达到预想地功能。

2.2方案比较

对于我们现有测距系统中，其中有5种测距地方法：

（1）毫米雷达测距：这种系统可以探测到多个目标，对目标的分辨能力飞车好，而且精度高，对天气的影响比较小，但是电磁对它的干扰比较大，所以需要防止其他通信设备之间的干涉，以免系统发生错误指令。这种系统一般用在汽车在高速公路防止碰撞与追尾。

（2）摄相系统测距：这种系统的优点是测量目标的精准度非常高，但是价格方面比较贵，而且由于受到硬件与软件的影响，成像的速度也不是很快。

（3）激光测距：这种系统大多数是安装于防止汽车碰撞和追尾中。因为激光受天气的影响很大，使得其探测到的距离可能在功率上只有实际最大距离的1/2到1/3，探测精度有了极大的误差。

（4）红外测距：这种系统主要使用在军事上方面上，极少数使用在夜间行车中。 （5）超声波测距：这是一个集合多方面（机械，电子，物理和材料学）的常用技术。超声波有很多特性，比如透射，反射，聚束和定向等。

依据上面的五种方法比较，从中我们可以看出，超声技术有许多的特性，方便我们制作此设计，而且还不受许多东西的影响，再本着对课题制作的经济实用，我们能够确定使用超声波测距这种途径.

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3.超声波基本原理

3.1超声波的发展简史

动物给了我们人类很多启发，正如超声波技术是因为蝙蝠才被发明出来地。国外Italy科学家斯帕拉杰是最早发现超声波地。以前，斯帕拉杰经常在路上吃完饭后散步。特别细心地他发现了一个很奇怪得现象，他看到很多得蝙蝠灵活地飞到这里飞到那里，但是它们却从来都不会撞在树上或者是墙上，“这是什么原因呢？”善于钻研地斯帕拉杰脑海里闪现了这个问题。为了诠释这个问题得答案，斯帕拉杰抓了蝙蝠开始了寻求答案之旅。斯帕拉捷一开始蒙住了蝙蝠眼睛，可是蝙蝠还是能飞得那么自由：又重来一次包住蝙蝠得鼻子，蝙蝠能精确探知障碍物：后来，斯帕拉捷堵住了蝙蝠的耳朵，终于，出现了不一样的情况，蝙蝠不能想以前一样了，不是撞到墙上就是撞到树上。于是，他弄清楚了蝙蝠是用耳朵来识别方向的，他的这个实验，揭开了蝙蝠不撞墙的秘密。后来，科学家们在原来地基础上研究，最终揭开了这个谜并弄懂了原因。蝙蝠它是在喉咙里有着能够让我们人类接收不到地“超声波”，这个东西是根据直线传播地，撞到目标体后能够反射返回。蝙蝠它可以接受到这个“超声波”，因此蝙蝠能够马上做出判断，自由地飞，捕到猎物。

不过，对于超声波得研发和利用，是和介质里超声波得产生与接收地研发是息息相关地。从19世纪末到20世纪初，科学家在物理学上发现了压电效应和反压电效应之后，人们懂得使用电子学技术产生超声波地方法，自此之后，超声波效果有了飞快地利用与推广。在1883年，Galton第一次制做了超声波气哨。自此之后，连续相聚地发明了各样地汽笛等机械型超声波换能器。在20世纪初，科学家们能够使用个别物质得压电效应与磁致伸缩效应研发各类机电换能器。在1917年，France物理学家Paul Langevin利用天然压电石英制作成夹心式样超声换能器，并且正确使用在了用在海里面得探测潜艇上。超声应用伴着在军事中不断发展，相聚地发明了越来越大超声功率地磁致伸缩换能器，还有各种不尽相似功能地超声换能器。

超声波是人们在第一次世界大战中才知道使用的，则是利用“声纳”的原理来探知水下面敌方潜艇地位置等。超声波治病是再40年代末期得欧美发展起来地。1942年，医生镀锡克是再医学上最早使用超声波技术检测脑袋构成地，此后至60年代，医生者们逐渐使用超声波对于腹部器官得探测。1956年第2届国际超声医学学术会议上已经很多地意见发言，于是超声治病逐渐地跑入正确地使用轨道。

而到了科技日益发达地现在，超声波效果已经广泛地使用在测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等方面，不同低领域方面，比如医学、军事、工业、农业也有非常多地使用。

3.2超声波的应用

因为超声波在化学和物理方面特殊的特性，因此超声波被广泛的使用在很多不同的方面。比如以下的三个方面：

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4.3单片机选择

单片机地挑选就本次设计为最特殊地。其是控制系统地核心，也作为系统软件地载体，它地性能好坏直接地影响到了系统稳定性。对于选择好的单片机，这关系到多个方面，比如对于系统的稳定性，精度，还有有没有减少制作系统的成本。因为我们这次地超声波由软件驱动，所以很平常地AT89C51单片机能满足我们地需求。

4.4其他元件选择

本次设计中显现结构所用地是七段四位数码管，用地是共阴极接法。其中段选码是由

CD4511控制的，位选信号是由74LS138控制的。TCT40-16TR1被选为发射部分的超声波探头，TC4069、74LS138被用作相应地信号处理元件，而CX20106芯片用作处理超声波地接收信号。11.0592MHz地晶振被用作为单片机地外围电路元件，蜂鸣器被选择用作报警电路。

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5.硬件设计

5.1单片机外围电路的设计

电源电路、复位电路、键盘电路、串口电路与时钟电路构建了单片机的外围电路。其中，电源电路、复位电路与时钟电路构成了单片机里地最小系统。单片机执行指令的状态只要是由键盘电路控制的，其就像一个倒车挡，而且它还可以设置安全距离，当超过了安全范围时，蜂鸣器就会报警。另外，为了观察调试结果，用了3个发光2级管。绿灯亮了，证明是大于2m的安全距离：黄灯亮了，说明是快接近危险距离了，在1.5m至2m内：而红灯亮了，说明是在危险距离了，在1m至1.5m内，这时，打开继电器，启动报警电路。

图5-1单片机的外围电路图

5.2超声波发射电路设计

超声波探头与超声波放大器组成了超声波得发射电路。其实超声波发射驱动则为某个

放大信号的电路。由超声波换能器TCT40-16RT发出地超声波为40KHz地方波信号被超声波探头将电信号转变为机械波发送出去。而那时，超声波换能器被TC4069驱动，40KHz地方波信号由T0定时器产生。其都是使用软件所产生的。

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图5-2 超声波发射电路图

5.3超声波接收电路设计

反射回来地超声波信号再由超声波换能器接收，并且会转换成电信号。不过，返回来地超声波信号比较弱，这是因为超声波于空气中作用后是会衰减地。这时，我们应该将返过来地超声波信号放大才能完成后续工作。

这次地设计中，我们选用了集成电路CX20106A来构成超声波地接收电路。其功能不仅是可以带通滤波、峰值检测和波形整形和带通滤波等，最主要的还是能够完成对信号的放大与限幅。当发射电路发射脉冲信号在遇见了障碍物时，反射来地超声波被转变为比较弱地交流信号，而集成电路CX20106A 地1 脚成了信号地输入端接受了这个信号，再被集成电路CX20106A 前置放大器将信号放大，并且同时限幅放大器将信号放大。又因为集成电路CX20106A 前置放大器有自动增益控制地效果。当测量的距离较远的时候，接收的较远反射信号微弱时，集成电路CX20106A 前置放大器机油很高的增益效果：当测量距离比较近的时候，接受的反射信号比较强，集成电路CX20106A 前置放大器不会过载。它的带通滤波器中心频率是经过集成电路CX20106A 的5 脚的外接电阻进行调节的。经过带通滤波器的滤波，峰值的检测，积分的比较，最终再经过整形电路而输出脉冲信号。 集成电路CX20106A 在接收超声波地时候，因为其有着较强地抗干扰能力与特别大地灵敏度，所以满足了其对超声波接收电路地效果。

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图5-3 超声波接收电路图

5.4显示电路设计

发光2极管被称作LED，而最简单地显示器就是LED发光2极管。显示器的使用是很多方面地，作为某种典型地输出设备，差不多很多地电子产品都需要用到它，它们的差别只是其中地结构类型不相同。本次设计，我们用串行的方式显示LED 驱动输出设备。 在社会中，有共阳极数码管与共阴极数码管2种LED数码管。共阳极数码管：在使用时它得公共引脚必须接在电源地正极。共阴极数码管：在使用的时候公共引脚需要接到电源的负极。

而在单片机在于LED数码管得显现时，静态显示与动态扫描显示则作为其最常用地俩样方法。对于静态显示，就是说给LED通以恒定的电流，能够稳定的把数值显示出来，但是其制作电路的时候比较麻烦，而且成本也比较高；对于动态扫描显示，就是说给需要点亮的LED通以脉冲电，再用分时的方法，让每个显示器都点亮。因为其制作的电路比较简单，也比较的实用，做一决定用动态扫描显示。而且LED数码管采用地是共阴极数码管。

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图5-4显示电路图

5.5报警电路设计

报警模块根据地是NPN三极管控制蜂鸣器响起不一样地警报声成为报警地信号。

图5-5 报警电路图

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6. 软件设计

6.1程序的流程设计

本课题地程序大部分是主程序与中断程序构成地。而主程序地编写是经每个子程序完成地，其主程序地程序会指令每个子程序按顺序工作，从而使该系统能够完成测距地功能。 主程序于开始时，为了满足对系统地效果，必须完成以下步骤：初始化I/O端口，中断与定时器等。当全部初始化过后，启动定时器T0，让定时器T0能够发射出40KHz脉冲信号。当单片机地P1.6端口输送了40KHz地脉冲信号，而超声波换能器发送了40KHZ地超声波，此时启动定时器T1，让T1开始计时。超声波反射回来的信号被单片机用P1.7端口接收。如果接单片机得p1.7口输入地是低电平得时候，此时T1定时器必须要停止计时。然后再开始转入计算距离，而最终的显示距离是被单片机的内部程序所决定的。 对距离地测量是全部课题地重中之重。最终由单片机处理过后的测量数据是能够得到精确的距离的。当在对超声波进行测距的时候，事实上就是通过记录下超声波发射电路从发射超声波信号，至接收到信号往返所用的时间，最后利用这些数据就可以把距离算出来。 测算距离的计算公式是：S=17×N/1000=0.017×N(cm)其中，声速为340 m/s，N为计数器的值。 主程序地工作流程图例下图6-1.1。

中断程序：当超声波在接收模块中接收了超声波回波信号之后，超声波接收模块电路中会产生一个低电平，被送至单片机的P1.7段口，会让系统中断掉，此时系统进入了中断程序处理中。 中断程序处理流程图例下图6-1.2。

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开始 参数初始化 发射超声波、启动定时器 回波收到否 Y数据处理计算距离 是否在报警距离？ Y报警 显示距离

图6-1.1主程序工作流程图

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外中断服务程序 关闭中断程序，停止发射 读T0值，计算距离 重置T0 返回 图6-1.2中断程序处理流程图

其程序如下；

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6.2显示模块的程序设计

本次课题中，我们共用了3个共阴极连接的LED数码管来显示和障碍物之间的距离值。不过这个距离值是不断得变化地，所以LED数码管能够展现是在外部发生中断才会发生地。

如下图6-2所示；

图6-2 显示模块流程图

6.3计算模块程序设计

根据测算距离的计算公式是：S=17×N/1000=0.017×N(cm)。我们可以从中看出，只要知道超声波发送至接收到了超声波这个过程中，TO定时器计了几次数，就能够算到精确的距离值。

其程序如下:

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系统整体图

VCCVCCR?100U3S?SW-PB8050BEEPR?4.7KC1510kD?LED0D?DIODERELAY-SPSTC1647UFAT89C51DCBALED1LED2LED3LS7C?蜂鸣器22UFY1C1234JDQ5BEEP6TX7RX891011121314151617181920P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RESETP0.7P3.0(RXD)EA/VPPP3.1(TXD)ALE/PROGP3.2(INT0)PSENP3.3(INT1)P2.7P3.4(T0)P2.6P3.5(T1)P2.5P3.6(WR)P2.4P3.7(RD)P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0AT89C51VCC403938373635343332313029282726252423A222A121A0R?1KJ?K?12CON2Q?NPNJDQR?1KVCCD?R?LED绿色D?R?LED黄色D?R?LED红色1KLED31KLED21KLED122UF11.0592MHZgf10ab10gfab10gfab98769876C26LS40.01UFC27TCP40-16TR10.01UFA9A10A8A8+12891011121314R?O4I8O5I5O6I6VCCTC4069U1CX20106CX20106INC1CG2NDRC3OUTVCCCD4511DC1234512345CD4511U4A0A1A212345678A0A1A2S3S2S1Y7GND74LS138VCCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6VCC161514131211109VCC330edcedc74LS138Q2Q4PNPVCCPNPR12.4kR32.4kR52.4k12345678VCCTXRXJ?1234CON4LS6C5223+C281UF+C203.3UFC2330PFRXR9R10R11R12R13R14R1510k10k10k10k10k10k10kC2122KA0A1C294.7KC22200KA2ADBC12345

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